從三角函數你已知道 sin、cos、tan 各將一個角度映射到一個比值。自然的反向問題是:給定一個比值,是哪個角度產生了它?回答這個問題需要反三角函數(inverse trigonometric functions)——但有一個癥結。由於正弦和餘弦是週期函式,每隔 2π 就重複一次,因此在整個 R 上不是單射(not injective);有重複輸出值的函式無法在全域上求反。標準的補救方法是將每個函式**限制(restrict)**到一個較小的、函式嚴格單調因而是單射的定義域,然後在那裡求反。
反正弦(Arcsine)
在區間 [−2π, 2π] 上,正弦函式從 −1 嚴格遞增到 1——[−1,1] 中的每個值恰好被取到一次。這個限制是單射的,因此有反函式。
**反正弦(arcsine)**定義為
arcsin:[−1, 1]→[−2π, 2π],
其中 arcsinx 是 [−2π,2π] 中滿足 sinθ=x 的唯一角度 θ。
反函式關係給出兩個複合恆等式:
sin(arcsinx)=x對所有 x∈[−1, 1],
arcsin(sinθ)=θ對所有 θ∈[−2π, 2π].
第二個恆等式僅在限制區間上成立。在區間之外,arcsin(sinθ) 給出 θ 在 [−2π,2π] 中的代表值,而不是 θ 本身。
反正弦的導函數
令 θ=arcsinx,所以 x=sinθ,θ∈[−2π,2π]。對 x 求導:
1=cosθ⋅dxdθ.
在 [−2π,2π] 上,餘弦為非負,所以 cosθ=1−sin2θ=1−x2。解出 dxdθ:
arcsin′(x)=1−x21,x∈(−1, 1).
導函數在端點 x=±1 處無定義,那裡 arcsin 的圖形有垂直切線。
反餘弦(Arccosine)
在區間 [0,π] 上,餘弦函式從 1 嚴格遞減到 −1。這個限制是單射的。
**反餘弦(arccosine)**定義為
arccos:[−1, 1]→[0, π],
其中 arccosx 是 [0,π] 中滿足 cosθ=x 的唯一角度 θ。
反餘弦的導函數
令 θ=arccosx,所以 x=cosθ。對 x 求導得 1=−sinθ⋅dxdθ。在 [0,π] 上,正弦為非負,所以 sinθ=1−cos2θ=1−x2。解出:
arccos′(x)=−1−x21,x∈(−1, 1).
負號反映了 arccos 嚴格遞減的事實。
反正弦與反餘弦的關係
對所有 x∈[−1,1]:
arcsinx+arccosx=2π.
證明。 令 α=arcsinx,所以 sinα=x 且 α∈[−2π,2π]。於是
cos(2π−α)=sinα=x,
且 2π−α∈[0,π]。由 arccos 定義的唯一性,得 arccosx=2π−α,整理即得所要的恆等式。□
這個恆等式讓你無需任何重新計算即可在 arcsin 與 arccos 之間轉換,也解釋了為何它們的導函數互為相反數。
反正切(Arctangent)
在開區間 (−2π,2π) 上,正切函式嚴格遞增且取遍每個實數值恰好一次。(端點被排除,因為 tan 在那裡無定義。)
**反正切(arctangent)**定義為
arctan:R→(−2π, 2π),
其中 arctanx 是 (−2π,2π) 中滿足 tanθ=x 的唯一角度 θ。
與 arcsin 和 arccos 不同,arctan 的定義域是整個 R。但值域有界,因此函式有兩條水平漸近線:
x→+∞limarctanx=2π,x→−∞limarctanx=−2π.
反正切的導函數
令 θ=arctanx,所以 tanθ=x。對 x 求導:
sec2θ⋅dxdθ=1.
利用畢達哥拉斯恆等式 sec2θ=1+tan2θ=1+x2:
arctan′(x)=1+x21,x∈R.
這對所有實數 x 都有定義,且恆為正,確認了 arctan 在整個定義域上嚴格遞增。
其他反三角函數
其餘三個反三角函數由將 cot、sec、csc 限制在標準的單射區間上再求反得到。
**反餘切(Arccotangent)**是 cot 限制在 (0,π) 上的反函式:
arccot:R→(0, π).
**反正割(Arcsecant)**是 sec 限制在 [0,π]∖{2π} 上的反函式:
arcsec:(−∞,−1]∪[1,+∞)→[0, π]∖{2π}.
**反餘割(Arccosecant)**是 csc 限制在 [−2π,2π]∖{0} 上的反函式:
arccsc:(−∞,−1]∪[1,+∞)→[−2π, 2π]∖{0}.
這三個函式在實際應用中出現較少。遇到時,通常可以改寫成 arcsin、arccos 或 arctan 的形式。
導函數總覽
六個反三角函數的導函數,彙整供參考:
| 函式 | 導函數 | 導函數的定義域 |
|---|
| arcsinx | 1−x21 | (−1, 1) |
| arccosx | −1−x21 | (−1, 1) |
| arctanx | 1+x21 | R |
| arccotx | −1+x21 | R |
| arcsecx | ∣x∣x2−11 | ∣x∣>1 |
| arccscx | −∣x∣x2−11 | ∣x∣>1 |
注意規律:arcsin 與 arccos、arctan 與 arccot、arcsec 與 arccsc 各對的導函數互為相反數。這反映了互補恆等式 arcsinx+arccosx=2π 和 arctanx+arccotx=2π。
摘要
- 由於 sin、cos、tan 在整個 R 上不是單射,它們的反函式需要限制到精心選取的嚴格單調區間上。
- 反正弦:arcsin:[−1,1]→[−2π,2π],在 (−1,1) 上的導函數為 1−x21。
- 反餘弦:arccos:[−1,1]→[0,π],在 (−1,1) 上的導函數為 −1−x21;滿足恆等式 arcsinx+arccosx=2π。
- 反正切:arctan:R→(−2π,2π),在 R 上的導函數為 1+x21;有水平漸近線 ±2π。
- 另外三個反函式 arccot、arcsec、arccsc 遵循相同的模式,有類似的限制定義域。
- 所有六個導函數都透過反函式定理(對定義恆等式 f(θ)=x 關於 x 求導)推導,最終得到代數表達式——儘管原來的三角函數是超越函式。